JPH02302034A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に半導体装
置のゲート電極やオーミック電極、または配線材料など
として用いられる。高融点金属を主成分とする多層構造
の薄膜を加工する方法に関する。

（従来の技術） 近年、高融点金属を半導体装置の構成材料として用いる
ことが盛んに検討されている。高融点金属は、主として
大規模集積回路のゲート電極やオーミック電極の材料、
または配線材料などとして。

その採用が検討されてきた。一般に、高融点金属は。融
点が少なくとも約１．４００℃以上と高く、従来から広
く用いられてきた多結晶Ｓｉと同様に高温での熱処理が
可能であること、熱膨張係数が８１に近いこと、多結晶
Ｓｉより低抵抗であること、また不純物注入の際のマス
クとして使用し得ることなどの利点を有する。それゆえ
９例えばＳｉを用いたＬＳＩでは、ゲート電極の低抵抗
化を目的として。

また化合物半導体を用いたＬＳＩでは、セルファライン
プロセスの導入によるソース抵抗の低減化を目的として
研究が行われてきた。さらに、高融点金属は、　ＬＳＩ
のゲート電極やオーミック電極、または配線材料への応
用が検討されているだけでなく、アルミニウム（Ａ１）
からなる電極や配線の表面に生ずるヒロックの発生を防
止したり、コンタクト部分におけるＡＩの侵入による接
合の破壊を防止するためのバリヤメタルなどとして。す
でに実用化されている。

高融点金属を半導体装置へ応用する場合には。

半導体装置の製造プロセスにおける必要性や半導体装置
のデバイス特性を向上させる目的で、高融点金属右よび
／またはその各種化合物（窒化物や珪化物など）からな
る薄膜を積層した多層構造が多く採用されている。ゲー
ト電極としては、多結晶Ｓｉ膜上にＷＳｉ膜を形成した
二層構造や、　ＷＳｉ膜上にＷ膜を形成した二層構造が
一般的である。オーミック電極についても、Ｓｌを用い
た半導体装置の分野では、Ｓｌの析出に伴うコンタクト
抵抗の上昇を解決する１つの方法として１例えばＴｉ５
ｉｚ膜上にＴｉＮ膜を形成した二層構造のバリヤメタル
の採用が検討されている。また、化合物半導体を用いた
半導体装置の分野でも、ゲート電極やオーミック電極の
耐熱性が要求されるのに伴い９例えば耐熱性は高いが高
抵抗であるＷＮ膜上に、低抵抗ではあるが耐熱性の低い
Ｗ膜を積層した二層構造が。

高耐熱性でありかつ低抵抗のゲート電極またはオーミッ
ク電極として提案されている。

半導体装置に用いられる多層構造薄膜は、使用される製
造プロセスや使用する箇所により、必要とされる形状が
異なる。このような多層構造薄膜の加工断面形状は、順
テーパ形、矩形、逆テーパ形（丁字形を含む）の３種類
に大別される。従って、高融点金属を主成分とする多層
構造薄膜を半導体装置に導入し、実用化していくために
は、該多層構造薄膜をこれら所望の断面形状に精度良く
加工する方法を確立することが必要である。

（発明が解決しようとする課題） 従来、高融点金属をドライエツチングにより加工する場
合には、　ＣＦ、と０２との混合ガスを用いた反応性イ
オンエツチング（ＲＩＢ　）が採用されてきた。例えば
、上述のＷ膜とＨ膜とからなる二層構造薄膜も、この方
法により加工されている。しかし、このような混合ガス
を用いた方法では、エツチングの制御パラメータが少な
いため、多層構造薄膜を任意の断面形状に制御性良く加
工することができない。実際１その形状はガスの圧力や
高周波電力などのエツチング条件に依存せず、順テーパ
形にしか加工されない。従って、充分に低抵抗の多層構
造電極を形成することができない。

このような問題点を解決するために、　ＳＦ６とＣｌＩ
Ｆ５との混合ガスを主成分とするエツチングガスを用い
た方法が提案されている（特願昭６３−１４９ｏ５ｏ号
）。

この方法によれば、　ＳＦ、とＣ）ｔＦ３との混合比を
適当に調整することにより、多層構造薄膜の各層のエツ
チング速度を制御し得るため、所望の加工断面形状が得
られる。しかしながら、　ＳＦ６およびＣＨＦ３に対す
る１例えばＷ膜と、　ＷＮ膜およびＩ’ｌＳｉ膜とのエ
ツチング速度の差が充分に大きくないため、このような
高融点金属およびその化合物からなる多層構造薄膜を加
工する場合に充分高い精度が得られない。

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、その
目的とするところは、半導体基板上に形成された高融点
金属を主成分とする多層構造の薄膜を、所望の断面形状
に高い精度で加工し得る半導体装置の製造方法を提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、半導体基板上に形成された高融点金　−属を
主成分とする多層構造の薄膜をドライエツチングで加工
する工程を包含する半導体装置の製造方法であって、該
ドライエツチングの際に、　ＳＦｓとＣＦ、とＨ２との
混合ガスを主成分とするエツチングガスが用いられ、そ
のＳＦ、とＣＦ、との分圧比を調整することにより、該
多層構造薄膜の加工断面形状が制御され、そのことによ
り上記目的が達成される。

本発明の製造方法では、高融点金属を主成分とする多層
構造薄膜が、フッ素系のエツチングガス（主成分は、　
ＳＦ、＋ＣＦ、＋８２）により加工される。このような
高融点金属としては９例えばタングステン（Ｗ）、タリ
ウム（Ｔａ）　、クロム（Ｃｒ）　、モリブデン（Ｍｏ
）　、白金（Ｐｔ）などが挙げられる。なかでも、抵抗
が低く、化学的活性が比較的小さい−やＭｏが好ましい
。上記の多層構造薄膜は、これらの高融点金属および／
またはその化合物からなる二層またはそれ以上の薄膜層
から構成される。

本発明の製造方法では、ドライエツチングに用いるエツ
チングガスの分圧比を調整することにより、多層構造薄
膜の加工断面形状が制御される。

このエツチングガスの主成分は、上述のように。

ＳＦ、とＣＦ、とＨ３との混合ガスである。分圧比の調
整は９例えば該混合ガスにおける各成分ガスの分圧比を
すべて変化させるか、あるいはＳＦ６′！６よびＣＦ、
に対するＨ３の分圧比を一定（典型的には、１０％程度
）に保ちながら、　ＳＦ、とＣＦ、との分圧比を変化さ
せることにより行われる。

ここで、エツチングガスの分圧比を調整することにより
、多層構造薄膜の加工断面形状が制御される原理を、高
融点金属であるＷおよびその化合物ＷＮを例として説明
する。第３図は、Ｗまたはその各種化合物（窒化物およ
び珪化物）からなる薄膜を、上記のエツチングガス（Ｓ
Ｆ、＋ＣＦ、＋ｌ１２の混合ガスを主成分とし、ガス圧
はｌＱｍＴｏｒｒ　；なお＋　Ｈ２の分圧比は１０％で
一定）でドライエツチングした場合における。混合ガス
の分圧比（ＳＦ、＋ＣＦ、に対するＣＦ、の分圧比）と
エツチング速度との関係を示す。これらの薄膜は反応性
イオンエツチング（高周波電力は、　　１００Ｗ）によ
りドライエツチングされた。

第３図から明らかなように、　ＣＦ、の分圧比が２０％
の場合に、Ｗ膜のエツチング速度とｌ〜Ｎ膜のエツチン
グ速度とがほぼ等しくなる。この分圧比が２０％を上回
ると、Ｗ膜のエツチング速度の方がＷＮ膜のエツチング
速度より大きくなる。これに対し。

分圧比が２０％を下回ると、逆にＷＮ膜のエツチング速
度の方がＷ膜のエツチング速度より大きくなる。

従って、第４図に示すように９例えばＧａＡｓ基板４１
上に順次形成されたＷＮ膜４２とＷ膜４３とからなる二
層構造薄膜を、ホトレジスト４４をマスクとして用い、
上記のエツチングガスで加工する際に、該エツチングガ
スの分圧比を適当に調整すれば、Ｗ膜４３とＷＮ膜４２
とのエツチング速度の差を利用して該二層構造薄膜の加
工断面形状が以下のように制御される。つまり、　ＣＦ
、の分圧比を２０％より小さく（例えば、１０％に）調
整すれば。該二層構造薄膜は、第４図（ａ）に示すよう
な丁字形の断面を有するように加工される。ＣＦ、の分
圧比が約２０％の場合には、二層構造薄膜の加工断面形
状は第４図ら）に示すような矩形となる。そして、　Ｃ
Ｆ、の分圧比を２０％より大きく　（例えば、５０％に
）調整すれば。

該二層構造薄膜を第４図（Ｃ）に示すような順テーパ形
に加工することができる。なお、ここでは両膜とＩＩＩ
Ｎ膜とからなる二層構造薄膜について説明したが、Ｗ膜
とＷＳｉ膜とからなる二層構造薄膜や、　ＷＮ膜とＷＳ
ｉ膜とからなる二層構造薄膜を含め、一般に高融点金属
および／またはその化合物からなる多層構造薄膜につい
ても同様の原理に基づき、その断面形状を任意に制御す
ることができる。

このように、高融点金属およびその化合物からなる多層
構造薄膜は、エツチングガスの分圧比を適当に調整する
ことにより、各薄膜層のエツチング速度の差に基づいて
、所望の断面形状（例えば。

７字形、矩形、または順テーパ形など）に精度良く加工
される。例えば、エツチング速度が等しくなるように分
圧比を調整すれば、Ｗ膜と結膜とからなるような二層構
造の薄膜を断面形状が矩形になるように加工する場合に
も、横方向へのエツチングが充分に抑制されるため、該
二層構造薄膜の加エバターン精度が向上する。

また、エツチングガスの分圧比を適当に調整するだけで
多層構造薄膜の断面形状を制御し得るので。半導体装置
のゲート電極やオーミック電極を形成する工程、および
配線を行う工程などにおいて要求される各多層構造薄膜
の異なる断面形状を。

その都度容易に実現することができる。従って。

例えば半導体装置のゲート電極に、断面形状が丁字形の
多層構造薄膜を採用すれば、該半導体装置をセルファラ
インプロセスで効率良く作製する二とができる。順テー
バ形の多層構造薄膜を半導体装置の配線に利用すれば、
半導体装置の製造工程における断線を防止することがで
きる。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

実施例１ 本実施例では、！４膜とＷＮ膜とからなる断面形状が矩
形の二層ゲート電極を有する電界効果トランジスタ（Ｆ
ＢＴ　）をセルファラインプロセスにより作製した。本
実施例の工程を第１図を用いて説明する。

まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板１の所定領域にＳｉをイオ
ン注入した。注入電圧は３０ｋｅＶであり、イオン注入
量は４　×１０”ｃｍ−’であった。次いで、シリコン
窒化膜を保護膜として用い、窒素雲囲気下で。

８５０℃、　１５分間のキャップアニールを行うことに
より、第１図（６）に示すようなｎ−ＧａＡｓ能動層２
を形成した。

このようにしてｎ−ＧａＡｓ能動層２が形成されたＧａ
Ａｓ基板１上の全面に、　ＷＮＮ２２よび周膜４を高周
波（ＲＦ）スパッタリング法により順次形成した（第１
図（Ｃ）参照）。ｌ１ｉＮ膜３を形成する際には、混合
ガス八ｒ＋８２（窒素ガスの分圧比ｌＯ％、ガス圧？　
ｍＴｏｒｒ）を用い、高周波電力は１００Ｗであった。

このようなスパッタリング条件下では、形成されたＷＮ
Ｎ２２組成はＷＮｏ、　ｔであった。他方、１１１９４
を形成する場合には、　Ａｒガス（ガス圧５　ｍＴｏｒ
ｒ）のみを用い。

高周波電力は１００Ｗであった。

次に、１１膜４上の所定領域にゲート電極形成用のレジ
ストパターン１１（例えば、　ＭＰ１４００−２７レジ
スト）を設け、該レジストパターンをマスクとして反応
性イオンエツチング（ＲＩＢ　）を行い、第１図（ｄ）
に示すようなＷＮＮ２２Ｗ膜４とからなる二層ゲート電
極１０を形成した。ＲＩＢには、混合ガスＳＦｓ＋ＣＦ
、＋８２　（水素ガスの分圧比１０％、　ＳＦ、ｉ　：
　ＣＦ、・４：１、ガス圧１０Ｐａ）を用い、高周波電
力は１００Ｗであった。このようなエツチング条件下で
は、　ＷＮＮ２２Ｗ膜４とのエツチング速度はほぼ等し
い。それゆえ、第１図（ｄ）に示すように、二層ゲート
電極１０の断面形状を矩形に精度良く加工することがで
きた。

二層ゲート電極１０上に残存するレジストパターン１１
を剥離した後＋　ＧａＡｓ基板１上の所定領域にイオン
注入用のレジストパターンを形成した。そして、二層ゲ
ート電極１０および該レジストパターンをマスクとして
ＧａＡｓ基板１にＳｉをイオン注入した。

注入電圧は１００ｋｅＶであり、イオン注入量は２Ｘ１
０１３Ｃｆｆｌ−’であった。次いで、　ＧａＡｓ基板
１上のレジストパターンを剥離した後、二層ゲート電極
１０の形成されたＧａＡｓ基板１上の全面にシリコン窒
化膜７をプラズマＣＶＤ法により形成した。そして、窒
素雲囲気下で、８５０℃、１０秒間のランプアニールを
施すことにより、　ＲＩＩＥによる基板のダメージを回
復し、かつ第１図（ｅ）に示すようなｎ”−ＧａＡｓ層
からなるソース領域５およびドレイン領域６を形成した
。

最後に、ソース領域５上およびドレイン領域６上におけ
るシリコン窒化膜７の所定部分を開口し。

ＡｕＧｅ／Ｎｉ／＾Ｕを２００ｎｍの厚さで蒸着した後
、３８０℃。

１分間の熱処理により合金化させてオーミック電極８お
よび９とした。このようにして、第１図（ａ）に示すよ
うな高融点金属を主成分とする矩形の二層ゲート電極１
０を有するＦＥＴが得られた。

実施例２ ＷＮＮ２２よびＷ膜４のＲＩＢに用いた混合ガスの分圧
比がＳＦ、　：　ＣＦ、＝９　：　１であり、エツチン
グ時間を長くして１００％のオーバーエツチングを行な
ったこと以外は実施例１と同様にして、第２図に示すよ
うな高融点金属を主成分とする丁字形の二層ゲート電極
２０を有するＦＢＴを作製した。本実施例では、　ＲＩ
Ｈに用いた混合ガスの分圧比がＳＦ、　：ＣＦ、＝９　
：　１であるため、　ｌ’ｉＮ膜３のエツチング速度は
Ｗ膜４のエツチング速度よりも大きい。それゆえ、二層
ゲート電極２０の断面形状を丁字形に精度良く加工する
ことができた。

（発明の効果） 本発明の製造方法によれば、半導体基板上に形成された
高融点金属を主成分とする多層構造薄膜の加工断面形状
を任意に制御することができる。

つまり、エツチングガスの分圧比を適当に調整すること
により、該多層構造薄膜を所望の断面形状（例えば、矩
形１丁字形、または順テーパ形）に精真良く加工するこ
とができる。従って１本発明の製造方法は、高融点金属
を主成分とする多層構造薄膜を半導体装置に導入するプ
ロセス技術として非常に実用性が高い。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は本発明の方法により製造される
半導体装置の一実施例である電界効果トランジスタの製
造工程を示す断面図、第２図は本発明の方法により製造
される半導体装置の他の実施例である電界効果トランジ
スタの断面図、第３図はエツチングガスの分圧比と、高
融点金属またはその化合物からなる各種薄膜のエツチン
グ速度との関係を示す図、第４図（ａ）〜（Ｃ）は本発
明の方法により形成し得る二層構造薄膜の加工断面形状
の例を示す断面図である。 １・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板、　　２−ｎ−ＧａＡｓ
能動層、３゜４２・・・ｌ’ＩＮ膜、４．４３・・・内
膜、５・・・ソース領域、６・・・ドレイン領域、７・
・・シリコン窒化膜、８，９・・・ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａ
ｕオーミック電極、　　１０．２０・・・二層ゲート電
極。 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に形成された高融点金属を主成分とす
   る多層構造の薄膜をドライエッチングにより加工する工
   程を包含する半導体装置の製造方法であって、 該ドライエッチングの際に、ＳＦ＿６とＣＦ＿４とＨ＿
   ２との混合ガスを主成分とするエッチングガスが用いら
   れ、ＳＦ＿６とＣＦ＿４との分圧比を調整することによ
   り、該多層構造薄膜の加工断面形状が制御される、半導
   体装置の製造方法。